智能脱硝控制系统的应用研究

郭培祥

（山西兴新安全生产技术服务有限公司，山西 太原 030000）

引言

目前以选择性催化还原为主体的烟气脱硝系统已经在化工行业得到了广泛的应用，在脱硝的过程中主要是通过控制喷氨量来提高脱硝效率，但由于其控制系统的局限性，在实际应用过程中存在着延迟大、惯性大等不足，特别是当脱硝系统的运行工况出现大范围波动时，无法精确控制喷氨量，导致了脱硝效率和经济性均不足，难以满足精确脱硝的控制需求。

本文提出了一种新的智能脱硝控制系统，该控制系统的核心是采用了自适应自适应前馈控制理论对脱硝过程中的喷氨量进行控制，对该自适应前馈控制理论进行了分析，同时采用仿真分析的方式对该智能脱硝控制系统的实际应用情况进行了研究，结果表明，该新控制系统能够将控制反应时间提高66.7%，对提升脱硝效率和经济性具有十分重要的意义。

1 脱硝机理分析

目前最常用的脱硝系统为选择性催化还原脱硝系统，俗称SCR 脱销系统，具有脱硝效率高、经济性好的优点，其脱硝原理如图1 所示[1]。

图1 选择性催化还原脱硝系统示意图

由图1 可知，选择性催化还原脱硝系统采用了高灰布置结构，将催化还原装置设置到了省煤器和去空预热器之间，在反应过程中通常利用V2O5作为催化还原剂。当反应装置开始工作时，从入口处通入氨气（目前主要是通过尿素水解的方式来产生）并和稀释空气在混合器内充分混合后进入到烟道，在烟道内和省煤器出口处喷出的烟气充分混合后再进入反应器，在反应器内和催化剂接触后发生催化还原反应，实现将氮化物转换为水和氮气，满足对废气内脱硝净化的目的。

选择性催化还原脱硝的化学反应可表示为式（1）、式（2）。

在实际反应过程中，由于受环境和烟气内其他气体成分的影响，也会发生一些副产物反应，见式（3）。

由于该反应存在一定的惰性，因此其实际上反应顺序是发生在式（1）和式（2）顺序之后的，其产生的副产物具有较大的腐蚀性，会对管道系统进行腐蚀和堵塞，影响反应安全性。因此需要严格控制在反应过程中氨气的量，氨气过多会导致副产物过多，影响系统长期运行的安全性，氨气不足则容易导致氮化物还原不完全，影响脱硝的效率和经济性[2]。

2 喷氨控制系统优化

针对现有喷氨控制系统采用非闭环控制所存在的调节速度慢、可靠性差的不足，提出了一种新的智能脱硝控制系统，该控制系统采用了前馈闭环控制理论，通过自适应前馈控制，实现了对调控过程中波动信号的快速屏蔽处理，能够解决传统脱硝控制系统在使用过程中负荷变化大、波动大的不足，同时该系统还能够及时反馈核心输入量变化的情况，进行数据提前预判分析，实现了对控制系统的快速、精确调整，确保了喷氨控制的精确性。该喷氨控制系统调控结构如图2 所示[3]。

图2 喷氨控制系统示意图

由图2 可知，在该控制系统中，输入的调节量为氮化物的浓度，然后主PID 根据系统的误差水平和要求，来设置系统的喷氨量，然后将其作为副PID 的控制值，由副PID 对喷氨系统进行控制，根据烟道内的氮化物含量对喷氨量进行精确调整。通过前馈反馈调整方案，有效避免了由于测量失真导致的调节失效情况，提升了调节反应速度的控制精度。

3 智能控制系统仿真分析

为了对该系统的控制效果进行分析，利用simulink 仿真分析软件建立该控制系统的仿真分析模型[4]，对其实际控制效果进行仿真分析，系统设定工作时的反馈系数为0.2，反馈切除时间设置为5 min，设置入口位置的氮化物质量浓度为300 mg/m3，出口处的氮化物质量浓度要低于50 g/m3，烟道内的气流量为6.5×105m3/h，系统仿真分析时的采样时间设定为1 min，仿真的总时长设置为50 min。仿真分析结果如图3 所示。

图3 智能控制系统仿真分析结果示意图

由仿真分析结果可知，在实际控制过程中采用普通串级PID 控制的情况下由于系统检测反应速度满足，从第3 min 的时候才开始进行喷氨，而采用前馈控制和自适应前馈控制的情况下，从第1分钟处就开始控制喷氨，其反应时间比优化前降低了66.7%，显著提升了在脱硝过程中的反应速度和灵敏性。

在出口位置的氮化物浓度随着喷氨量的调整也不断发生变化，前3 min 的氮化物浓度为零，主要是烟气尚未达到出口位置导致，从第3分钟起出口处的氮化物浓度急剧上升，主要是由于喷氨量不足以满足脱硝的需求导致。从仿真分析结果可知，采用串级PID 控制的情况下整个调节时间约为20 min，而采用新的自适应前馈调节的情况下，调节时间约为16 min，而且在调节过程中的时效性和降幅明显高于传统PID 调节方案，显著提升了喷氨调节的精度和可靠性。

目前该智能脱硝控制系统，在实际应用过程中表现出了极高的反应速度，其对喷氨量的控制精度能保持在1%的误差范围内，对提升整个脱硝控制系统的调节精度，降低大气污染具有十分重要的意义。

4 结论

为了解决目前选择性还原脱硝控制系统延迟大、惯性大，调控精确性差的不足，提出了一种新的智能脱硝控制系统，通过前馈控制的方法提升了系统调节时的控制精度，同时利用仿真分析的方式，对该系统的实际应用情况进行了分析，结果表明：

氨气过多会导致副产物过多，影响系统长期运行的安全性，氨气不足则容易导致氮化物还原不完全，影响脱硝的效率和经济性。

通过自适应前馈控制，能够实现对调控过程中波动信号的快速屏蔽处理，解决了传统脱硝控制系统在使用过程中负荷变化大、波动大的不足。

该控制系统能够将控制反应时间提高66.7%，将喷氨量的控制精度保持在1%的误差范围内。